JPH04251987A

JPH04251987A - 光・電子集積素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH04251987A
Application number: JP3148866A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Fujita; 俊介藤田; Yoshinobu Nakayama; 義宣中山
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1990-07-11
Filing date: 1991-06-20
Publication date: 1992-09-08

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、受光素子等の電子素子
が形成された基板上に光導波路や電子回路部品を集積し
た光・電子集積素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】フォトダイオード等の半導体受光素子（
特に、ＰＩＮフォトダイオードやアパランシェフォトダ
イオード）が形成されたシリコン（Ｓｉ）や化合物半導
体等の基板上に光導波路等を積層した光・電子集積素子
が種々提案されている。ここで一例として、受光素子と
して多く用いられているシリコンＰＩＮフォトダイオー
ドと光導波路、電極回路を集積した光・電子集積素子の
例を図６で説明する。図６において、この光・電子集積
素子では、基板１０として第１導電型のシリコン基板を
用いており、この基板１０は低抵抗層１１と高抵抗層１
２とからなっている。この基板１０の表面は、絶縁層３
０で覆われている。また、基板１０の一部の表面付近に
第２導電型の不純物拡散領域が形成され受光部２０をな
している。この不純物拡散領域からは、一部の絶縁層を
除去した部分を通して電極４０が絶縁層３０上に引き出
されている。これは、他に、基板の裏面等に設けられた
図示しない電極と対になって受光素子の２つの端子を構
成している。また、この素子では、上記基板上の絶縁層
３０をバッファ層として、絶縁層上には光導波路層５０
が設けられており、この光導波路層５０を導波する光を
基板１０上の受光部２０へ導いて光を受光するようにな
っている。尚、このような光・電子集積素子の受光素子
部においては、図８に示すように、光導波路層５０と受
光部２０との境界部分近傍で導波光が散乱したり放射モ
ードとなって導波路外へ洩れるのを防ぎ、効率良く受光
部２０へ導くため、この部分の絶縁層（バッファ層）３
０をテーパ断面状とすることも行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】通常、図６に示すよう
な受光素子部においては、基板１０の面積効率の上から
も、第２導電型の不純物拡散領域は、基板の大きさにで
きるだけ近い面積で形成され、電極４０が、第１導電型
の基板表面と絶縁層３０をはさんで対向する部分の面積
は比較的小さい。ところが、光・電子集積素子において
は、受光部が光学系の一部として要求される位置に配置
されるので、その電極がボンディングパッド等の外部へ
の引き出し位置まで長く引き回されることが多い。また
、このとき、光学系への影響を避けるため、必ずしも最
短経路を選ぶことができず、電極配線が増々長くなりが
ちである。さらに、導波路光学系は、一般に電子回路素
子より大きな面積を必要とすることが多いので、配線長
の増大もより大きい。

【０００４】一方、上述のような受光素子には応答速度
の高速性が求められることが多い。また、この目的のた
めにも、ＰＩＮフォトダイオードやアパランシェフォト
ダイオード等が用いられている。この応答速度を定める
要因の一つが受光素子自身の持つ静電容量であるが、こ
れは導電型の異なる基板と不純物拡散領域との接合容量
に通常起因する。しかし、上述のように電極配線が長く
引き回されると、絶縁層３０をはさんで基板１０との間
にキャパシタ（Ｃｆ０）を形成し、図７の回路図に示す
ように、これがフォトダイオードＤに並列に挿入される
こととなる。一例として、この容量は、絶縁層として０
．８μｍ厚の酸化シリコンを用いた場合、１辺１００μ
ｍの方形面当たり０．４３ｐＦになる。

【０００５】したがって、配線が長くなる程大きな容量
が付加されることとなり、受光素子の応答速度が遅くな
ってしまう。尚、これはアパランシェフォトダイオード
や化合物半導体の場合も同様である。また、このような
受光部２０から引き出された電極配線４０に限らず、図
６に示すように他の回路パターン４１，４２を形成し、
光導波路５０や、必要により半導体チップその他のチッ
プ部品６０等を接続材７０等を介して集積して光・電子
集積素子を構成する場合があるが、このとき、それら回
路パターンの電極配線４１，４２を前述と同様に絶縁層
３０上に形成すると、図７に示すように、電極配線と基
板との間に容量（Ｃｆ１，Ｃｆ２）を形成し、基板側と
容量結合することによる不具合の他、基板を介して回路
の電極配線同士にも容量結合が生ずることにより、回路
動作へ悪影響を与えることがあり、問題となる。

【０００６】また、図８に示すような受光素子構造にお
いては、導波光を受光部２０へ導くためには、バッファ
層となる絶縁層３０のテーパ部の傾斜はできるだけ緩や
かな方が良く、傾斜部長さの層厚に対する比は、数：１
以上必要とも言われているが、受光部２０に電気的に接
続された電極層４０をこの絶縁層３０に沿って引き出す
個所においては、テーパ構造の傾斜が緩すぎると、特に
、テーパの裾の側（図８の点線円部分）で絶縁層３０の
厚さが不足し、絶縁耐圧の低下、基板側との容量結合、
膜のピンホール等の影響を受けやすくなるなどの問題が
ある。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あって、前述したような電極配線の延長による受光素子
の応答速度の低下や、回路、電極配線間や基板との容量
結合による回路動作不良を抑制することのできる光・電
子集積素子及びその製造方法を提供することを目的とす
る。また、光導波路を導波する導波光の受光部への結合
の効率を良くすると同時に、電極積層部の電気特性と信
頼性を向上させることのできる光・電子集積素子を提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、請求項１記載の発明は、基板に形成された受光部と、
上記基板上に形成された絶縁層と、上記受光部に電気的
に接続された電極と、上記絶縁層上に形成された光導波
路層とを有する光・電子集積素子において、上記電極を
上記光導波路層上に形成したことを特徴とする。また、
請求項２記載の発明は、基板上に形成された絶縁層と、
上記絶縁層上に形成された光導波路層と、電気回路配線
とを有する光・電子集積素子において、上記電気回路配
線を上記光導波路層上に形成したことを特徴とする。

【０００９】また、請求項３記載の発明は光・電子集積
素子の製造方法であって、基板上に電子素子を形成し、
次に上記基板上に光導波路層を形成し、続いて、少なく
とも上記光導波路層の所定の部分を開孔部として除去し
た後、上記開孔部を通して上記電子素子に接続する電極
を上記光導波路層上に形成したことを特徴とする。また
、請求項４記載の発明は光・電子集積素子の製造方法で
あって、基板上に電子素子を形成し、次に上記基板上の
所定の部分以外の部分に光導波路層を形成した後、上記
所定の部分として形成された開孔部を通して上記電子素
子に接続する電極を上記光導波路層上に形成したことを
特徴する。

【００１０】また、請求項５記載の発明は、基板に形成
された受光部と、上記基板上に形成された絶縁層と、上
記受光部に電気的に接続された電極と、上記絶縁層を含
む基板上に形成された光導波路層とを有する素子であっ
て、上記絶縁層の厚さを上記受光部周辺で漸減させ、受
光部上で薄くするかあるいは零となした光・電子集積素
子において、上記電極を上記光導波路層に設けた開孔部
に沿って上記受光部に接続するようになしたことを特徴
とする。

【００１１】

【作用】本発明は、従来、フォトダイオード等の電子素
子部分の製造プロセスで、絶縁層上に電極配線を形成し
、その後、光導波路、その他の光素子をそれらの上に形
成することで製造された光・電子集積素子に対し、電極
配線を光導波路層の上に形成することで、電極と基板間
の距離を遠ざけることにより、それらの間に形成される
容量を小さくするものである。例えば光導波路として、
１．５μｍ厚の光導波層と０．７μｍ厚のクラッド層か
らなる多層膜をシリコン酸化窒化膜で形成した場合、前
述の０．８μｍ厚の酸化シリコン膜からなる絶縁層を含
めて、電極と基板間の容量を１辺１００μｍの方形面当
たり０．１ｐＦ程度に低減することが可能となる。また
、絶縁層の厚さを上記受光部周辺で漸減させ、受光部上
で薄くするかあるいは零となした場合においても、電極
を絶縁層のテーパの緩い部分に直接積層せず、光導波路
層を介して積層することで、絶縁層の厚さの不足によっ
て生ずる絶縁耐圧の低下、基板側との容量結合、膜のピ
ンホール等の影響による問題なども解消される。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細
に説明する。図１は請求項１、請求項２記載の発明の一
実施例を示す光・電子集積素子の断面図である。図１に
おいて、請求項１の構成は、基板１０に形成された受光
部２０と、上記基板１０上に形成された絶縁層（または
絶縁膜）３０と、上記受光部２０に電気的に接続された
電極４０と、上記絶縁層３０上に形成された光導波路層
（または光導波路膜）５０とを有する光・電子集積素子
において、上記電極４０を上記光導波路層５０上に形成
したことを特徴とするものである。すなわち、この発明
では、応答速度の高速性が要求される受光素子部（図１
の例ではＰＩＮフォトダイオード）の部分において、受
光部２０から引き出された電極４０と基板１０との間の
容量を、絶縁層３０上に積層した光導波路層５０の上に
上記電極４０を形成することで低減させたものである。

【００１３】尚、光導波路５０は、図示したような、導
波層５１とクラッド層５２の積層によるものの他、単層
のものや、他の多層構造のものも可能である。また、受
光素子としても、図示したＰＩＮ構造のものに限らず、
半導体あるいは導電性基板表面の絶縁層上に電極配線を
行う構造のものが適用可能である。次に、請求項２の構
成は、図１の電極４１，４２の例のように、電極４０の
ような受光部２０から直接引き出された電極以外の電気
回路配線も同様に光導波路層５０の上に形成したもので
ある。これにより、上記と同様に基板間との容量を低減
できる他、回路構成上、基板間との容量は不問であるよ
うな電極配線においても、基板を経由した他の電極間と
の容量結合を抑えることができる。

【００１４】次に請求項３、請求項４記載の光・電子集
積素子の製造方法について述べる。請求項３、請求項４
記載の方法は、図１に示した光・電子集積素子のような
素子構造の製造方法に関するものであり、基板上に電極
配線部分のみを除いて形成した電子素子（図１のＰＩＮ
フォトダイオードからなる受光部２０やトランジスタ等
）に対し、光導波路を形成した後に、電極を上記電子素
子に接続するものや、その他の回路用電極を光導波路上
に形成するものである。より具体的には、請求項３の方
法では、図２（ａ）に示すように、先ず基板１０に受光
素子等の電子素子部２０を形成した後、絶縁層３０及び
光導波路層５０を形成する。次に、図２（ｂ）に示すよ
うに、電子素子部２０に電極を接続すべき所定の部分の
光導波路層５０及び絶縁層３０を除去して開孔部を設け
、その後図２（ｃ）に示すように、所望のパターンの電
極４０，４１，４２を光導波路層５０上に形成する。

【００１５】また、請求項４の方法では、図３（ａ）に
示すように、先ず基板１０に受光素子等の電子素子部２
０を形成した後、絶縁層３０及び光導波路層５０を形成
するが、このとき、光導波路の開孔部としたい所定の部
分に、予め、光導波路層５０の形成を妨げるマスク９０
を設けておき、光導波路層５０の形成を行った後、図３
（ｂ）に示すように、このマスク９０を除去して開孔部
を形成する。尚、このとき、光導波路層以外の部分を同
時あるいは連続して除去してもよい。これにより、開孔
部等の所定部分以外の部分に光導波路層５０が形成され
るので、この後、図３（ｃ）に示すように、光導波路層
５０上に所望のパターンの電極４０，４１，４２を形成
する。尚、請求項３及び請求項４の製造方法は、両者を
組み合わせて用いてもよい。また、光導波路が多層構造
である場合、電極配線４０，４１，４２はその全ての層
の上に形成される必要はなく、任意の積層された層まで
を形成し、その上に電極を形成した後に、残りの光導波
路層を形成しても良い。

【００１６】次に、請求項５記載の発明について述べる
。この発明は、図１に示したような光・電子集積素子の
受光素子部の構造に関するものである。図４に本発明の
一実施例として受光素子部の断面図を示す。図４におい
て、受光素子部は、基板１０に形成された受光部２０と
、上記基板１０上に形成された絶縁層（バッファ層）３
０と、上記受光部２０に電気的に接続された電極４０と
、上記絶縁層３０を含む基板上に形成された光導波路層
５０とを有し、上記絶縁層３０の厚さを上記受光部２０
周辺で漸減させ、受光部２０上で薄くするかあるいは零
となした構造となっている。図４に示す実施例において
は、基板１０はシリコン（Ｓｉ）基板であり、受光部２
０はシリコン基板１０と逆の導電型となるように不純物
を拡散した領域であり、ＰＮ接合型のフォトダイオ−ド
や、前述したＰＩＮ型やショットキ−型のフォトダイオ
−ドからなる。

【００１７】絶縁層３０は、光導波路のバッファ層を兼
ねており、基板１０のシリコンの熱酸化により成長させ
るか、あるいは堆積された酸化シリコン膜（通常、半導
体デバイスではフィ−ルド酸化膜と呼ばれる）等によっ
て形成され、受光部２０周辺部では層厚が漸減するテ−
パ断面状となっている。光導波路層５０は、窒化シリコ
ン、酸化窒化シリコン、その他の誘電体を単層若しくは
多層に積層して形成され、この光導波路層５０中を導波
光Ｌが導波し、絶縁層３０が緩いテ−パ状に形成された
部分を経て導波光が受光部２０へ結合される。アルミ等
のメタル又はメタルシリサイド等の導電膜からなる電極
４０は、光導波路層５０及びこの例では受光部上の薄い
絶縁層を貫通して開孔する部分（コンタクトホ−ル）を
通じて受光部２０へ達しており、受光部２０と電気的に
接続される。このとき、電極４０が比較的薄い場合、あ
るいは光導波路層５０が比較的厚い場合には、開孔部断
面の傾斜を緩やかにしたり、角部に丸みを持たせるよう
にすると良い。

【００１８】次に、図５は受光素子部の別の実施例を示
す断面図である。図５において、光導波路層５０は光導
波層５１とクラッド層あるいはバッファ層と呼ばれる緩
衝層５２とから成っている。緩衝層５２は、光導波層５
１と電極４０の直接の接触を避け、導波光Ｌの減衰を防
止するため、電極４０は導波光Ｌの導波位置によらず任
意の方向へ引き出しが可能となる。尚、緩衝層５２は光
導波層５１の斜面上にまで延びていてもよい。また、こ
の図の場合は、図の右側部分の光導波路層が除去された
形で開孔部が形成されている場合の例を示している。さ
て、図４若しくは図５に示す構造の受光素子部では、導
波光Ｌを受光部２０に結合させる部分で、バッファ層と
しての絶縁層３０のテ−パが緩く形成されているため、
導波光Ｌの散乱、放射モ−ドへの変換が防止され、効率
良い結合が行われる。また、電極４０を上記絶縁層３０
の緩いテ−パ部に直接積層せずに、光導波路層５０を介
して積層するようにしたことにより、絶縁層の厚さの不
足による絶縁耐圧の低下、基板側との容量結合、膜のピ
ンホ−ル等の影響を受けやすくなる等の問題を解消でき
、電気的特性と信頼性が向上される。尚、上記受光素子
部は、実施例で示した構成材料に限らず、基板１０、受
光部２０、絶縁層３０、電極４０、あるいは光導波路層
５０を他の材料で構成しても有効であり、また、光検出
部が他の構造のものであっても良い。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、受光部に接続された電極と基板との間の静
電容量が減少し、受光素子部に並列に挿入される容量を
低減することができるので、受光素子部の応答速度の低
下が抑えられる。また、請求項２記載の発明によれば、
回路、電極配線と基板間の容量だけでなく、電極配線ど
うしの容量結合をも抑制することができるので、回路の
動作不良を防止することができる。また、請求項３記載
の発明では、請求項１、２記載の素子構造が容易に製造
できる。また、１回のパターン形成工程により、光導波
路層以外の部分の除去も同時あるいは連続して行うこと
ができる。また、請求項４記載の発明によれば、同様に
、請求項１、２記載の素子構造が容易に製造できる。また、この製造方法は、一旦形成後にエッチング等で除
去するのが困難な光導波路膜を使用する場合にも有効で
ある。また、請求項５記載の発明によれば、導波光を受
光部に結合させる部分でバッファ層としての絶縁層を緩
いテーパ状に結合して、導波光の散乱、放射モードへの
変換を防止し、結合の効率を良く保ちながら、電極を上
記緩いテーパ断面の絶縁層に直接積層せず、光導波路層
を介して積層し、光導波路層に設けた開孔部を介して電
極と受光部を接続することにより、受光素子部の電気的
特性と信頼性とを向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１、請求項２記載の発明の一実施例を示
す光・電子集積素子の断面図である。

【図２】請求項３記載の光・電子集積素子の製造方法の
一例を示す製造工程の説明図である。

【図３】請求項４記載載の光・電子集積素子の製造方法
の一例を示す製造工程の説明図である。

【図４】請求項５記載の発明の一実施例を示す光・電子
集積素子の受光素子部の断面図である。

【図５】請求項５記載の発明の別の実施例を示す光・電
子集積素子の受光素子部の断面図である。

【図６】従来技術による光・電子集積素子の断面図であ
る。

【図７】図６に示す従来の光・電子集積素子における回
路、電極配線間と基板との間の容量結合の状態を模式的
に示す回路図である。

【図８】従来技術による光・電子集積素子の受光素子部
の断面図である。

【符号の説明】

１０・・・基板２０・・・受光部３０・・・絶縁層（絶縁膜）４０・・・電極４１，４２・・・電極若しくは電気回路配線５０・・・
光導波路層（光導波路膜）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に形成された受光部と、上記基板上に
形成された絶縁層と、上記受光部に電気的に接続された
電極と、上記絶縁層上に形成された光導波路層とを有す
る光・電子集積素子において、上記電極を上記光導波路
層上に形成したことを特徴とする光・電子集積素子。
【請求項２】基板上に形成された絶縁層と、上記絶縁層
上に形成された光導波路層と、電気回路配線とを有する
光・電子集積素子において、上記電気回路配線を上記光
導波路層上に形成したことを特徴とする光・電子集積素
子。
【請求項３】基板上に電子素子を形成し、次に上記基板
上に光導波路層を形成し、続いて、少なくとも上記光導
波路層の所定の部分を開孔部として除去した後、上記開
孔部を通して上記電子素子に接続する電極を上記光導波
路層上に形成したことを特徴とする光・電子集積素子の
製造方法。
【請求項４】基板上に電子素子を形成し、次に上記基板
上の所定の部分以外の部分に光導波路層を形成した後、
上記所定の部分として形成された開孔部を通して上記電
子素子に接続する電極を上記光導波路層上に形成したこ
とを特徴する光・電子集積素子の製造方法。
【請求項５】基板に形成された受光部と、上記基板上に
形成された絶縁層と、上記受光部に電気的に接続された
電極と、上記絶縁層を含む基板上に形成された光導波路
層とを有する素子であって、上記絶縁層の厚さを上記受
光部周辺で漸減させ、受光部上で薄くするかあるいは零
となした光・電子集積素子において、上記電極を上記光
導波路層に設けた開孔部に沿って上記受光部に接続する
ようになしたことを特徴とする光・電子集積素子。